世界航天新科技档案（一）各国新型火箭（上）

+ 刘进军

世界航天的下一个目标：登陆月球、火星、小行星、深空探测、洲际航行、太空旅游、太空采矿和星际移民。

为了实现这些目标，世界各国火箭专家挖空心思，想象、设计、试验和研制各类新型运载火箭。火箭正朝着完全回收、完全复用、模块化、价格低廉、低温发动机、半低温发动机、环保安全、火星运输、地月运输、多星运输、洲际航行等方向发展。

近年来，各国研制新型火箭多达40多种：俄罗斯赫鲁尼切夫国家研究与生产太空中心“安加拉-1.2”、“安加拉-A5P”，美国轨道科学公司“安塔瑞斯-230+”，欧空局“阿丽亚娜-6”、“织女星-C”、“织女星-E”，西班牙PLD太空公司“爱瑞安-2”，美国太空探索技术公司“大猎鹰”，乌克兰“气旋-4M”，澳大利亚吉尔莫太空技术公司“爱丽丝”，美国航空航天公司“萤火虫-阿尔法”，日本宇宙航空研究开发机构“H-3”，罗马尼亚航空航天协会“哈斯-2CA”，中国“快舟-11”、“快舟-21”、“快舟-31”、“长征-8”，“长征-9”，美国维京轨道公司“发射器-1”，韩国航空航天研究所“罗老-2”，美国蓝色起源公司“新格伦”，美国诺斯罗普·格鲁曼公司“欧米茄-A”，俄罗斯赫鲁尼切夫设计局“质子-光”，“质子-介质”，美国航空航天局“太空发射系统”，俄罗斯进步火箭宇航中心“联盟-5”、“联盟-7”，印度太空研究组织“统一”，美国联合发射联盟“火神”等。

各国新型火箭具有10大特点：1.重型化、超重型化；2.最新科技推动火箭设计和研制；3.新火箭型号层出不穷；4.火箭研制时间越来越短；5.民营企业创新能力更强；6.火箭研制技术门槛降低，团队越来越年轻化；7.火箭大国和强国面临挑战；8.先进、廉价的火箭冲击火箭发射市场，竞争激烈；9.发射市场或将重新洗牌，大批火箭公司将破产倒闭；10.火箭技术和研发水平距离拉大，美国遥遥领先。

创新决定命运！各国新型火箭推陈出新，耳目一新。新型火箭，特别是各种重型火箭、超重型火箭更让人振奋和震撼。世界航天和太空探索的未来一片光明。

以下对具代表性的部分新型火箭进行介绍。

图1 已发射、在研、规划中的各型超重火箭比较

1.“安加拉”号运载火箭

“安加拉”（Angara）系列运载火箭由位于莫斯科的赫鲁尼切夫国家研究和生产太空中心研制。它能将3.8吨～24.5吨之间的航天器送入低轨道，成为几种现有“联盟-2”系列运载火箭的接任者。

俄罗斯火箭专家说：“安加拉”火箭是被“逼”出来的！以前苏联许多运载火箭或所需的组件，都是从现在位于乌克兰的南方设计局研制及提供，包括南方机器制造厂的“天顶-2”、“第聂伯”和“旋风”火箭等。另外，苏联的主要航天发射场——拜科努尔发射场位于哈萨克斯坦，俄罗斯经过重重困难谈判才得以租用。1992年，俄罗斯下定决心：建造新的、完全自主的运载火箭，名为“安加拉”，并建造新发射基地，确保火箭发射不受制于人。

俄罗斯决定：在理想情况下，在俄罗斯普列谢茨克航天中心建造“天顶-2”火箭发射台和发射场，并能发射军事卫星进入地球同步轨道。

表1 按低轨道运载能力，美国宇航局将运载火箭分为5个级别：

1994年，俄罗斯几家公司提交了新火箭的标书。赫鲁尼切夫设计局的开发人员起初将“质子”号火箭选为获胜者，但没有获得政府的资金支持。当提出“安加拉”火箭计划，俄罗斯政府经济非常拮据，却立刻为“安加拉”火箭计划划拨资金。

赫鲁尼切夫设计局的初始设计要求改进“RD-170”发动机，用于“安加拉”第1级火箭推进。1997年，“RD-170”发动机被替换成源自四腔“RD-170”的新型“RD-191”。“RD-191”是高性能单燃烧室火箭发动机，它的燃料为煤油/液氧混合物，富氧分级燃烧循环。

1997年后期，赫鲁尼切夫设计局已从俄罗斯政府获批准，着手新火箭“安加拉”的设计。“安加拉”将吸取“第聂伯”、“旋风”、“呼啸”号洲际导弹的优秀设计，能够把卫星从普列谢茨克航天中心发射到地球静止轨道，当然它需要一个新建设的发射台。2008年，格鲁什科动力机械制造科研生产联合体研制成“RD-191”发动机，并完成点火试验，准备制造和交付。

2009年1月，“安加拉”火箭第1级研制完成，并交付给赫鲁尼切夫设计局。弗拉基米尔·涅赫鲁尼切夫总干事宣布：2013年，“安加拉”火箭将举行首次飞行测试。201年，“安加拉”火箭首次抵达普列谢茨克航天中心。

2014年7月9日，自从提出研制“安加拉”火箭最初概念22年后，“安加拉”火箭终于从俄罗斯北部的普列谢茨克航天中心发射升空，进行亚轨道试飞。2014年12月23日，“安加拉”火箭进行第二次发射，将2吨重的大型模拟器送入地球同步轨道。“安加拉”火箭二次试飞都取得了成功。

表2 重型和超重型火箭性能比较

“安加拉”运载火箭将拥有近十种型号，主要将从普列谢茨克航天中心发射。从2021年开始，俄罗斯计划实现“安加拉”运载火箭可从普列谢茨克航天中心，也可从俄罗斯东部的东方港航天中心发射。由于“质子”火箭使用剧毒偏二甲肼和四氧化二氮为燃料，以及可靠性等问题，哈萨克斯坦反对继续在拜科努尔航天中心发射“质子”火箭，因此“质子”火箭也将搬到东方港航天中心进行发射。

“安加拉”运载火箭将成为俄罗斯火箭未来的明星。目前，“安加拉”火箭正在急速变化，诞生多种变型，可增加和变换上面级。

图2 2009年，在莫斯科国际航空航天展上的“安加拉”火箭模型。

2.“罗斯-M”运载火箭

俄罗斯萨马拉的国家进步太空中心可谓历史久远，大名鼎鼎。

1917年,一个小工厂——杜克斯在莫斯科城里成立，制造自行车、摩托车和其他各种车辆。二战前，它在莫斯科制造过几架飞机模型，包括“米格-3”。在战争期间，杜克斯工厂制造了“伊尔Il-2”、“Il-10”飞机。1941年，苏联政府下令以杜克斯工厂为基础，组建1号国家航空厂，并从莫斯科迁往现在称为萨马拉的城市，靠近伏尔加河。194年，它开始生产“米格-9”和“米格-15”喷气机战斗机；1954年，它开始生产“图-16”轰炸机；1958年1月2日，1号国家航空厂开始生产“R-7”运载火箭。

图3 “安加拉”火箭家族透视图

图4 “安加拉”运载火箭效果图

表4 “安加拉”各型火箭主要参数 MN：万牛 t：吨

表3 “安加拉”火箭主要参数

1966年4月12日，俄罗斯航天局下令2个俄罗斯航空航天组织：进步中央专业设计局与萨马拉进步工厂合并成进步国家太空研究与生产中心（简称“进步太空中心”）。

进步太空中心是俄罗斯宇航局下属的火箭研制公司，负责太空科学和航空航天研究。它曾研制了“闪电-M”、“联盟-FG”、“联盟-U”、“联盟-U2”、“联盟-1”、“联盟-2”等著名火箭，以及“光子-M”科学卫星、“琥珀”照相侦察卫星和“资源-DK”地球资源卫星系列等。

进步太空中心的主要生产设施位于萨马拉市，包括一个设计局，一个大型的“R-7”火箭和洲际导弹工厂，一个光子卫星工厂。进步太空中心拥有2.5万员工，其中，5000人为火箭和卫星系统工作，360人在任何特定时间为“R-7”火箭生产线工作。苏联解体后，进步太空中心陷入困境，只得产业多样化，生产机床、伏特加酒和糖果。

2009年春，进步太空中心提出一项“罗斯-M”号火箭计划，打算使其成为俄罗斯的主要运载火箭，并在2018年后进行载人航天发射。“罗斯-M”号火箭计划还包括一种前瞻性的驾驶运输系统，一种新的载人飞船——“联邦”号。它将取代俄罗斯目前的“联盟-FG”号载人火箭系统。

“罗斯-M”号火箭是俄罗斯正在研发的一种运载火箭。俄罗斯航天局提出安全要求，强调了火箭的设计必须极其可靠；载人飞船的安全中止选项必须在任何飞行阶段都可用；在发射时序的早期阶段,必须保证火箭从发射台起飞，以防发生紧急情况。“罗斯-M”火箭的基础型，有效载荷运载能力50～60吨；超重火箭型号，设计有效载荷运载能力提升到130～150吨。

“罗斯-M”火箭将派生四种型号。第一种型号能将23.8吨货物或卫星等有效载荷送往200千米、51.7°的圆形轨道；18.8吨的飞船送往135～400千米的轨道；地球同步转移轨道运力7吨，地球静止轨道运力4吨。第二种型号将增加2个助推器，并允许捷联助推器在飞行中提前分离，将有效载荷运力提升到35吨。第三种型号将使用燃料箱增压器，再增加有效载荷运力至50吨。第四种型号将只有芯级火箭和增加一个“联盟-2”火箭派生的上面级。

表5 “罗斯-M”火箭主要参数

按照计划，进步太空中心负责项目领导、系统集成、2级火箭开发和生产。第1级火箭由位于车里雅宾斯克州米阿斯的，专业研制弹道导弹、潜射弹道导弹的马克耶夫火箭设计局，也就是国家火箭中心进行研发。位于叶卡捷琳堡的自动化科研生产联合体提供火箭的飞行控制系统。

2011年10月，俄罗斯航天局局长弗拉基米尔·波波夫金说：“我们得出的结论是，我们不需要一种新火箭，我们可以继续使用已经拥有的‘联盟-FG’号载人火箭。”于是，“罗斯-M”火箭计划停止。俄罗斯航天局计划研发全新的“联盟-5”号运载火箭。“罗斯-M”火箭的命运将就此终结？未必，它很有可能会死而复生。

图5 “罗斯-M”火箭模型

3.“联盟-5”号运载火箭

“联盟-5”号运载火箭属于重型运载火箭系列，由俄罗斯进步太空中心研制。

2016年初，进步太空中心提出了“联盟-5”火箭计划。该计划充满活力，它的优势在于技术性：细节和组装将比“联盟-2”少两倍。由于“联盟-5”计划从哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心发射，而哈萨克政府拒绝剧毒的火箭燃料。因此“联盟-5”计划将致力于使用环保的燃料——精制煤油和液态氧，以及研制一种新的发动机。

“联盟-5”火箭的第1级火箭高度为37.14米，将高于“天顶-3SL”的第1级火箭32.94米；火箭直径4.1米，比“天顶”更宽。因此，它可以携带363吨推进剂。“联盟-5”的基座仍然具有3.68米，与“天顶”火箭发射台兼容。第1级火箭采用“RD-171M”发动机，可以增加10%推力。

第2级火箭高度7.77米，直径4.1米，空重5.9吨，可装59吨燃料。它采用2台“RD-0124A”发动机，与“安加拉”火箭一样。但是，“联盟-5”不是将4个喷嘴布置在一个正方形中，而是采用半圆排列，所以这2台发动机的特征是8个喷嘴，形成一个圆圈。这样的安排可以使工作台长度最小化，同时保持发动机良好的比冲量。

“联盟-5”的总质量为484吨，并且其第2级火箭的效率提高。它可以从拜科努尔航天中心将16吨有效载荷发射到一个200千米，轨道倾角为51.6°的圆形轨道。“天顶”只能发射大约12吨有效载荷。“联盟-5”比“天顶-3SL”来说是一个显著的改进。

对于地球同步轨道发射任务，“联盟-5”第3级可以选择配备一个“布洛克DM03”上面级。因为它将使用相同的推进剂，并且已经在“天顶-3SL”和“安加拉-A5”上使用，这将是一个低风险的选择。“联盟-5”火箭预期的运载能力为：地球同步转移轨道4.5吨，地球静止轨道2.3吨。

俄罗斯火箭专家设想：“联盟-5”的第1级火箭可以用作超级火箭的助推器，甚至芯级火箭。它可以从拜科努尔航天中心、东方港航天中心发射73吨载荷至低地球轨道。火箭专家考虑到这种结构，可能将“联盟-5”的运载能力提高到120吨，甚至160吨。

表6 “联盟-5”火箭主要参数

目前，虽然俄罗斯的“2016～2025深空探测”计划要求使用“安加拉-5V”重型火箭，但它的运载能力仅36吨。一次月球任务，“安加拉-5V”需要多达4次发射，还需要使用昂贵的氢气作为燃料。如果“联盟-5”建成超重型火箭，将简化任务，同时使用现成的模块。何乐不为！由于经济状况不好，“联盟-5”计划一直进展缓慢，只有路线图，没有具体发射计划和时间表。

2018年4月，俄罗斯副总理德米特里罗戈津访问参观了化工自动化设计局的生产现场,公布了有关“联盟-5”火箭的计划。德米特里罗戈津说：“不久前，‘联盟-5’火箭草案获得通过。火箭的起始质量将在530吨左右，直径4.1米，长度是61.87米，加上‘联邦’号载人飞船总长达到65.9米。”

“当然，在不久的将来，氧煤油发动机应该被替换为新的甲烷发动机。这将基于氧-氢和氧-甲烷，即液化天然气。这些是更简单、更便宜、更可靠的解决方案。如果你做‘联盟-5’火箭，应该建造一台现代化的发动机，而不是在一台50岁的发动机上瞎折腾。”

这位副总理的话，让人耳目一新。科技人员将考虑甲烷发动机项目。因此，“联盟-5”火箭可能将面目一新，盛装登场。

图6 “联盟-5.1”运载火箭

4.“火神”重型运载火箭

“火神”火箭是美国新型的重型运载火箭，由美国联合发射联盟研制。

2006年12月，联合发射联盟成立。它是由美国洛克希德·马丁航天系统公司与波音防务、空间与安全公司组建的合资企业。联合发射联盟拥有3种服役火箭：“德尔塔-2”、“德尔塔-4”和“宇宙神-5”。50多年来，这些火箭家族已经发射了各种卫星、航天器，包括深空探测器和星际探索探测器。美国政府、国防部和美国航空航天局，以及其他组织都是联合发射联盟的客户。

图7 “联盟-5”各型运载火箭部分参数

这10多年来，联合发射联盟审议了几种新运载火箭的设计和概念。各种概念火箭都继承了“宇宙神”和“德尔塔”运载火箭的优良基因。由于没有一种火箭超越原来火箭的技术，向美国政府申请提供资金，理由不足。

2014年初，在乌克兰危机期间，俄罗斯入侵乌克兰、侵占乌克兰的克里米亚。政治局势可能导致的后果是：国际制裁将限制俄罗斯“RD-180”发动机出口到美国！而“RD-180”发动机正是联合发射联盟欲采购作为第1级火箭主发动机的标的，这种情况下继续使用RD-180，可能将被视为影响美国军事发射市场和核心国家安全，而这样的局面是已经面临来自太空探索技术公司竞争的联合发射联盟所不愿看到的。

未雨绸缪，2014年6月，联合发射联盟向几个美国火箭发动机供应商发出合同邀约：研发第1级火箭主发动机。2014年9月，联合发射联盟公司宣布：已经与美国蓝色起源公司订立合作伙伴关系，将共同研发“BE-4”液氧甲烷发动机，作为新型火箭第1级火箭发动机的备选项，以取代俄罗斯的“RD-180”。美国蓝色起源公司保证将在第3年完成“BE-4”发动机的研制，预期不早于2019年开始新发动机和第1级火箭发动机的飞行。2014年10月，联合发射联盟宣布：在未来几年内，对产品和流程进行实质性的重组,以降低发射成本。这次结构调整和新的成本降低目标的原因之一是：美国太空探索技术公司在发射市场发起的强有力竞争。同时宣布，联合发射联盟正在计划建造一枚新的火箭，它将成为“宇宙神-5”的继任者，在第一级火箭上将使用新的火箭发动机。

2015年4月13日，联合发射联盟首席执行官托利·布鲁诺宣布：其新火箭的名字为“火神（Vulcan）”，这个名称是在网络投票中脱颖而出的。2016年，联合发射联盟公司宣布：“火神”火箭第1级火箭可以有从0～6个固体火箭助推器，发射重量比“宇宙神-5”高，但比“德尔塔-4”少。

表7 “火神”重型火箭主要参数

图8 “火神”重型火箭分解图

图9 “火神”的“RL-10”发动机

图10 “火神”火箭突破卡门线效果图

根据计划，第1级火箭发动机可重复使用。联合发射联盟正在开发一项技术：当发动机与火箭分离，依靠隔热屏和降落伞穿过大气层下降，最后被一架直升机在空中回收。到2015年4月，联合发射联盟估计：重复使用的发动机会将第1级火箭的成本降低90%，发动机占第1级火箭成本的65%。

“火神”重型火箭，又称为“火神-半人马座”。“火神”火箭的运载能力可比美国航空航天局“土星C-3”、“德尔塔-4”，欧空局“阿丽亚娜-5”，美国太空探索技术公司“猎鹰-9”，中国“长征-5”火箭，美国蓝色起源公司“新格伦”等火箭更大。

2015年5月，联合发射联盟公司发布图表显示：“火神”重型火箭具有将23吨载荷送入地球静止轨道的能力。“火神”的第1级火箭直径有2种版本：一种5.4米直径，燃料采用密度更高的煤油和密度不太高的甲烷；一种具有与“宇宙神-5”火箭一样的3.81米直径。2016年4月，首席执行官托利·布鲁诺表示：“火神”火箭在没有固体火箭助推器的情况下，发射价格为9900万美元。

“火神”重型火箭研发成本为20亿美元，其中10亿美元用于主发动机。2016年3月，美国空军资助联合发射联盟2.2亿美元，而联合发射联盟希望获得更多的政府资金支持。同年4月，联合发射联盟公司董事会成员、波音执行副总裁、波音公司网络与太空系统公司总裁克雷格说：我相信美国空军将投资更多的资金，用于“火神”的研发。截止2018年3月，“火神”的研制费用中有75%是由私人资助的。

“火神”的第一次飞行将不早于2020年代中期。